[发明专利]用于集成电路的多层电感元件

说明书

技术领域

本发明通常涉及电感电器件以及制造这种用于功率转换应用的器件的方法。

背景技术

电感器通常是缠绕在铁基或铁磁芯上的线圈。大部分电感值很高的电感器采用铁氧体磁芯来减小尺寸。由于用于形成电感器的缠绕线和/或它们所需的电路板基板面的劳动密集特性，所以相对于电子设备中的其他元件而言，电感器比较昂贵。虽然电感器很昂贵，但是对于很多应用，特别是在高频应用和耦合功率应用中，它们起了关键性的作用。

通常利用铁磁芯和绝缘电线的绕组来制造电感元件。铁磁芯通常是环形芯、棒形芯、或由E型铁磁部件和与E型的三个支线相连接的铁磁罩所组成的组件。

手工或自动地用绝缘铜线缠绕环形和棒形芯来形成变压器的多个多匝绕组或电感器的单绕组。然后，密封该组件以保护线。通过应用所需要的线的焊接端子进行电路连接。由于各个焊盘的处理，这种方法是很费人力的。而且，由于难以精确放置铜线，所以电学参数(例如漏电感、分布电容及绕组内电容、以及绕组间的共模失衡)具有很大变化。

按照需要，通过手工或自动地在E型的支线上缠绕铜绝缘线，从而将E型密封罩组件做成电感元件。将罩粘贴或加紧在位置上，进行最后的密封，于是完成这个装配。类似地，通过应用所需的线的焊接端子进行电路连接。如上所述，这个器件不但具有环形和棒形芯的限制，而且，它通常是一个比较大的器件。由于罩是一个分立器件，所以磁通路具有E型和罩之间的非铁磁间隙阻抗，从而减小了变压器的效率。

近年来，电感器已经被合并到诸如用于蜂窝电话芯片的应用之类的高频IC应用的半导体制造工艺中。例如，已经利用薄膜工艺来制造导体的游丝形线圈来用作“线”，进而制造集成电感器。可以利用这种游丝形方法来实现具有几纳亨电感值(对于RF应用是足够的)的电感器。此外，对于只需要相对较小的电感值的RF类型应用而言，由PC板工艺方法制成的螺旋电感已经被合并到PC板中。

对于功率定向的应用，电感器在它们的磁场中储存能量，因此在将功率从一个电压转换为另一个电压的应用中是有用的，例如在升压调节器和降压调节器中，能量效率比线性调节器高得多。在这些功率转换应用中，在RF应用中所使用的电感器是不够的。与仅仅需要几纳亨的电感值不同的是，对于典型的功率转换应用而言，电感器经常需要从大几千赫兹(kHz)到小几兆赫兹(MHz)范围内的频率，这可转化为一微亨或几微亨的电感值。

在示范性LED电流驱动应用中，需要足够的电压用来使必需的电流通过以便驱动器件，电流的大小确定亮度。过去采用电阻器来限制电流和降低LED开启电压与电源电压之间的电压差。通过将过量的电压与电流的乘积转化为热，该电阻完成它的任务。采用电感器和开关晶体管，将相同的平均电流施加到LED，并只浪费了少量的能量。而且，可以配置电路，以便采用小于LED开启电压的电压对LED提供能量。这些电路技术存在于采用线绕电感器的现有技术中。

已采用多种方法来实现电感器。例如，PCT公开No.WO0225797A2公开了采用布置在两个PC板层(或两个柔性层)之间的芯材料的电感器制造工艺，其中，电感器是PCB或FLEX制品的组成部分，在其上形成有“线”图案的层之间层压着铁氧体或高磁导率芯。在U.S.专利No.5,336,921中描述的另一示例方法涉及基于沟槽的电感器，其采用了微米量级的半导体工艺尺寸，并提供了具有相对小的电感值的电感器。在U.S.专利No.5,801,100中，讨论了一种电感器制造方法，其采用镍薄膜上的铜导体来提供也具有相对小的电感值的电感器；这种方法包括微米量级的工艺尺寸，并采用具有微米量级厚度的芯材料。U.S.专利No.6,166,422描述了一种电感器，其具有在晶片工艺中有用的钴/镍金属芯，该电感器还提供了不适用于功率转换的电感值。

结合本发明，可以认识到，通过合并更便宜的具有适当电感值的电感，很多电学应用会很有优势。包括但不局限于需要DC-DC转换的功率转换应用和/或那些控制发光二极管(LED)的这些应用将从采用具有微亨级电感值的电感器中得到特别的好处。

发明内容

本发明的某些方面涉及便宜的具有适当电感值的电感器，其可以被合并到半导体封装中，或者被形成为半导体制造工艺中的一部分，以被实现在功率转换应用中或LED电流驱动应用中。